基本粒子12｜β衰變能量丟失之謎，中微子是如何被發現的？
現在伸出手掌，每秒種會數以百億計的中微子穿過你的手掌，但是你完全感覺不到它們的存在，這是為啥，因為它們像幽靈一樣，從來不會和你的手掌發生任何形式的相互作用。
你的手掌在中微子的面前完全就是透明的，不光是你的手掌，整個地球對中微子來說，也是透明的，中微子可以毫不費力地穿過地球，不會受到任何影響。
據說是，你想要擋住一箇中微子，至少需要3光年的鉛塊，所以問題來了，中微子和其他物質的作用力這麼弱，我們是如何發現它的？那最關鍵的問題是，我們在沒有發現中微子的時候，是如何知道世界上有這麼個東西？
其實知道中微子的存在並不難，而且是一件非常自然的事情，你看，是這樣的，1896年的時候人類就發現了元素的放射性，很快盧瑟福就發現，放射性有兩種，一種是α粒子，一種是β粒子。
沒過多久，人們就確認了β粒子就是電子，到了1912年的時候，化學家索迪就提出了一個元素的位移定律說的是，一個放射性元素在釋放出一個β粒子以後，就會從元素週期表中向後移一個位置。
到了1913年的時候，物理學家莫斯萊就測量了核電荷數，才解釋了索迪的位移定律，其實就是原子核放出了一個電子以後，多了一個正電荷，所以就變成了相鄰的下一個元素。以上的所有內容在我之前的影片中都講過了。
下面我舉個粒子，比如說氚，這是氫的一個同位素，現在我們知道，他的原子核裡面有一個質子和兩個中子，當一箇中子經歷β衰變以後，就會射出一個電子變成一個質子，然後原子核就會變成了兩個質子和一箇中子，這其實就是氦3原子核。
雖然當時人們還沒有發現中子，但是已經可以簡單地理解β衰變的過程了，就是原子核釋放一個電子，多了一個正電荷，然後變成了其他元素。
但是人們就發現了問題，在β衰變的過程中，釋放出來的電子的能量，也就是他所攜帶的動能，不是確定的，而是一個連續的能量譜，有一個最小值和最大值。
這一點就非常的奇怪，就拿上面的氚到氦3的衰變來說，氚釋放出來的電子的動能最小值是0，最大值是18。6Kev，沒有超過這個最大值的電子，不過大多數的電子的動能處在2~4Kev這個區間。
這個現象的奇怪點在於，每次釋放出來的電子的能量不一樣，但是我們又知道氚的原子核和氦3的原子核的基態能量是確定，所以從氚到氦3的轉變應該會釋放出一個動能確定的電子。
但是實驗測量出來的電子的能量卻是連續的，這在當時把所有人都難住了，按照一貫的操作，當時物理學家解決這個問題辦法就是否定能量守恆定律。這就是當時玻爾的想法。
有一件事就特別奇怪，前文我們也說了，居里夫婦在研究鈹射線的時候，當時也懷疑了能量守恆定律，這讓他倆錯失了中子的發現，現在玻爾也在懷疑能量守恆定律，這又錯失了一個新粒子的發現，貌似物理學都不喜歡假設有新的東西，總是喜歡懷疑已有理論是錯的，這一點比較奇怪。
好，我們接著說氚到氦3的β衰變，在這個過程中電子動能的最大值是18。6Kev，但是大部分情況下，電子的動能都要小於這個值，那問題是還有一部分能量去了哪裡？這就是β衰變中能量丟失的困難。
其實不光是能量丟失了，粒子的角動量也丟失了，你看，這中子的自旋是1/2，現在它變成了一個質子和電子，這兩個自旋也是1/2，結果總自旋不是0就是1，不可能是1/2，所以角動量也不守恆了。
從角動量這點可以看出，在β衰變的過程中應該還產生了一個自旋為1/2的粒子，由於它對電磁作用沒有反應，所以可以斷定它是一箇中性粒子，從電子的能量譜可以看出它的質量極其微小，甚至質量是0，這就是1931年泡利對中微子的預言。
所以β衰變的過程就變成了這樣的，一箇中子發生β衰變以後，會變成了一個質子、一個電子和一個反電子中微子。
這裡我想問大家一個問題，為什麼在上述的反應中，生成的是一個反電子中微子。大家先思考一下，後面我會加以說明。
好，那既然泡利預言了中微子，那我們就需要找到這個粒子，可是中微子是出了名的難以探測，它的穿透能力太強力，所以直到25年以後，也就是1956年我們才捕捉到了中微子。
要想了解探測中微子的原理，我們還需要把β衰變的過程再詳細地說一遍，剛才我們說了，一箇中子會衰變成一個質子、電子和反電子中微子。
在這個反應中，我們可以看出有三個守恆的量子數，首先是重子數守恆，一箇中子變成了質子，重子數不增不減。
還有電荷守恆，一箇中子變成了質子，雖然質子帶了正電，但是它又釋放了一個帶負電的電子，所以電荷不增不減。
最後是輕子數守恆，由於它釋放出了一個電子為了保證電荷守恆，但是卻無緣無故地創造出了一個輕子，也就是電子，它的輕子數是1，所以為了抵消這個輕子數，就必要還要生成一個粒子，就是反電子中微子，它的輕子數是-1，所以就保證了反應的過程中輕子數也是守恆的。這就是為啥要生成反電子中微子了。
大自然就是這麼奇妙，真的是不可思議，當然除了這些守恆量以外，在反應中能量、動量、角動量肯定也是守恆的。
不光是β衰變，在以後遇到的所有的衰變過程，都要遵守最基本的守恆規律，其實也可以這麼說，只要是遵守守恆規律的反應，都可以發生。
你看，剛才我們說了，中子可以變成質子、電子和反電子中微子，那你說一個反電子中微子加上質子，能不能變成中子和正電子，這個反應可以發生嗎？
思考一下，肯定可以 ，對吧！因為它沒有違法任何守恆量，可以看出，其實我們只是把中子到質子、電子和反電子中微子這個反應中的電子挪到了反應的前面，和中子待在一塊。但是把電子挪過去的時候，就要把它變成相應的反粒子，也就是變成正電子，這就是交叉變換原則。
這裡我們瞭解下就行了，聽懂沒聽懂都不要緊，我們只需要記住一點，質子加反電子中微子，可以變成中子和正電子，這個反應。因為這個反應正是我們探測中微子存在的原理。
在1956年的時候，物理學家萊因斯和柯溫，他倆就使用了200升水作為探測器，因為水裡有大量的質子，並且在探測器的兩邊分別裝了370加侖的液體閃爍探測器，用來捕捉反應後生成的γ光子。
他倆就把這個裝置埋在核電站附近很深的地下，如果真的有反電子中微子，那麼它就有可能撞上水裡的質子，然後變成中子和正電子。
正電子在水裡經過減速以後會與一個電子發生湮滅，然後會朝相反的方向釋放出兩個伽馬光子，這兩個伽馬光子的能量都是0。51M電子伏特，伽馬光子分別進入兩邊的兩個液體探測器，我們就能知道，在水裡生成了正電子，併發生了湮滅，就可以確認是質子和反電子中微子發生了反應，也就確認了中微子的存在。
在這個反應中還生成了一箇中子，這個中子隨後會被摻在水裡的鎘原子核吸收，鎘原子核在吸收了這個中子以後會處在激發態，然後它就會釋放出伽馬光子落回到基態。
兩邊的液體閃爍探測器同樣可以檢測到生成的這些伽馬光子，就更加確認了是質子和反電子中微子發生了反應。
那實驗結果是肯定的，中微子確實存在，但不知道為啥他倆的諾獎一直到了1995年才頒發，這個時候柯溫都已經去世了，錢不錢的都不是很重要，主要是人家在世的時候沒有享受到諾獎的榮譽，這就有點可惜。
最後我們說下，為啥不直接叫中微子，而是要叫它電子中微子，因為中微子也有味道屬性，它分為了三種，其他的兩種我們在後面就說到。
由於電子中微子在反應中總是和電子相關聯，它就好像是電子的小弟一樣，所以就叫他電子中微子。或者你可以認為它是電子味道的。
好，現在我們已經知道了兩個輕子粒子，就是電子和電子中微子，他倆被稱為第一代輕子，後面我們還會說到第二代、第三代輕子。
那今天的內容就到這裡，下節課我們說中微子質量的問題。